DE102011050949B4

DE102011050949B4 - Verfahren zum Senden eines Datensignals in einem MIMO-System

Info

Publication number: DE102011050949B4
Application number: DE102011050949.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Mueck; Christian Drewes; Wen Xu
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: US20150071377A1; US8401105B2; US9397739B2; DE102011050949A1; US20110305284A1; US8885753B2; US20130163691A1

Abstract

Verfahren zum Senden eines Datensignals durch eine Sendeeinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO), wobei die Sendeeinheit mehrere Sendeantennen umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Durchführen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung das Senden des Datensignals durch jede einzelne der mehreren Sendeantennen umfasst; und
Durchführen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung das Senden mindestens einer spektral modifizierten Signalvariante des Datensignals durch mindestens eine Antenne der mehreren Sendeantennen umfasst, wobei das Datensignal mehrere Signalkomponenten umfasst und wobei die zweite Sendung jeder Signalkomponente des Datensignals spektral modifiziert ist, um eine jeweilige spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals zu erhalten, wobei eine spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwenden einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten wird, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Senden eines Datensignals in einem drahtlosen Kommunikationssystem mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO), ein Verfahren zum Empfangen eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem, eine Sendeeinheit zum Senden eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem.
Die Funkkommunikationsleistungsfähigkeit kann durch Verwendung von Techniken mit mehreren Antennen und mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) vergrößert werden. Der Datendurchsatz und die Streckenreichweite können durch Verwendung von MIMO-Techniken ohne zusätzliche Bandbreite oder Sendeleistung vergrößert werden. In solchen MIMO-Systemen ist räumliches Multiplexen (SDM) eine verwendete Technik, bei der verschiedene räumliche Ströme von Daten von jeder Sendeantenne gesendet werden. Da diese Ströme verschiedene Daten führen, wird die Gesamtdatenrate des Systems vergrößert. Eine weitere Verbesserung der Funkkommunikationsleistungsfähigkeit ist zu erwarten, wenn die obigen Techniken mit Mehrträgersende- und -empfangsverfahren kombiniert werden, wie zum Beispiel den wohlbekannten Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Sende- und -Empfangstechniken.
Die US 2008/019894 A1 beschreibt ein Verfahren zum Dekodieren von Signal-Vektoren in einem MIMO-Kommunikationssystem, bei dem erste und zweite Signal-Vektoren empfangen werden, der erste Signal-Vektor verarbeitet wird, der verarbeitete erste Signal-Vektor und der zweite Signal-Vektor zu einem gemeinsamen Signal-Vektor aneinandergereiht werden und der gemeinsame Signal-Vektor dekodiert wird.
Aus der US 2008/0240208 A1 ist ein Verfahren zum erneuten Senden eines Signals in einem MIMO-Kommunikationssystem bekannt, bei dem ein erstes Gerät bestimmt, ob das Signal erneut an ein zweites Gerät übertragen werden soll. Sollte eine erneute Signalübertragung notwendig sein, wählt das erste Gerät anhand von Kanalbedingungen ein Übertragungsschema aus einer Vielzahl von Übertragungsschemata aus.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes und insbesondere zuverlässigeres MIMO-Sendeverfahren anzugeben.
Die beigefügten Zeichnungen sind vorgesehen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsformen zu gewährleisten, und sind in die vorliegende Beschreibung integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden ohne Weiteres ersichtlich, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Senden eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Senden eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Empfangen eines Datensignals in einem MIMO-Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform;
4 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines drahtlosen MIMO-Systems, das eine Ausführungsform eines in 1 oder 2 abgebildeten Verfahrens ausführt;
5 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines drahtlosen MIMO-Systems, das eine Ausführungsform eines in 3 abgebildeten Verfahrens ausführt;
6 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einführung von Frequenzdiversität mit der zweiten Sendung;
7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einführung von Frequenzdiversität, einschließlich einer frequenzverschobenen Version der für die zweite Sendung verwendeten Sequenz;
8 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines drahtlosen MIMO-Systems gemäß einer Ausführungsform;
9 zeigt eine schematische Blockdarstellung einer Sendeeinheit gemäß einer Ausführungsform; und
10 zeigt eine schematische Blockdarstellung einer Empfangseinheit gemäß einer Ausführungsform.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen im Allgemeinen durchweg gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. In der folgenden Beschreibung werden zur Erläuterung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Ausführungsformen zu gewährleisten. Für Fachleute ist jedoch erkennbar, dass ein oder mehrere Aspekte der Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um die Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obwohl ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform möglicherweise mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wird, können ein solches Merkmal oder ein solcher Aspekt zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wenn es für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft ist. Weiterhin sollen in dem Ausmaß, in dem die Ausdrücke „enthalten”, „haben”, „mit” oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, solche Ausdrücke auf eine Weise ähnlich dem Ausdruck „umfassen” einschließend sein. Die Ausdrücke „gekoppelt” und „verbunden” können zusammen mit Ableitungen verwendet werden. Es versteht sich, dass diese Ausdrücke verwendet werden können, um anzugeben, dass zwei Elemente unabhängig davon miteinander kooperieren oder interagieren, ob sie in direktem physischen oder elektrischen Kontakt stehen oder sie nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Außerdem ist der Ausdruck „beispielhaft” lediglich als ein Beispiel anstatt das Beste oder Optimale gemeint. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren werden als Teil von Funkübertragungssystemen und für diese verwendet, insbesondere für Systeme, die im Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Modus arbeiten. Die offenbarten Vorrichtungen können in Basisbandsegmenten von zum Senden oder Empfangen von Datensignalen wie z. B. OFDM-Funksignalen, insbesondere Sendern wie Basisstationen oder Relaisstationen oder Empfängern wie Mobiltelefonen, in der Hand gehaltenen Geräten oder anderen Arten von Mobilfunkempfängern realisiert werden. Die beschriebenen Vorrichtungen können verwendet werden, um hier offenbarte Verfahren auszuführen, obwohl diese Verfahren auch auf beliebige andere Weise ausgeführt werden können.
Eine OFDM-Kommunikationsstrecke kann mit einer Menge von N Subträgern betreibbar sein, wobei N zum Beispiel 2048 ist. Subträger solcher OFDM-Übertragungssysteme können jeweils eine einzige Frequenz umfassen. Sie können auch mehrere Frequenzen umfassen, zum Beispiel angrenzende Frequenzen in einem Frequenzbereich oder einer beliebigen willkürlichen Teilmenge von Frequenzen. Die Anzahl der in einem Subträger enthaltenen Frequenzen kann insbesondere nicht auf irgendeine Anzahl von Frequenzen beschränkt sein.
Die hier beschriebenen Verfahren und Einheiten werden in Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) verwendet. Diese Systeme können mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit eingerichtet werden, wobei beide Einheiten jeweils mehr als eine Sende- bzw. Empfangsantenne umfassen.
Mit Bezug auf 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Senden eines Datensignals, insbesondere eines Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signals gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren wird von und in einer Sendeeinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) ausgeführt, wobei das Kommunikationssystem die Sendeeinheit und eine Empfangseinheit umfasst, wobei die Sendeeinheit mehrere Sendeantennen und die Empfangseinheit mehrere Empfangsantennen umfasst. Das Verfahren umfasst Folgendes: Durchführen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung das Senden des Datensignals durch jede einzelne der mehreren Sendeantennen umfasst (in s1), und das Durchführen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung das Senden mindestens einer spektral modifizierten Signalvariante des Datensignals durch mindestens eine Antenne der mehreren Sendeantennen umfasst (in s2).
Das Datensignal kann ein elektrisches oder optisches Signal sein, das eine Nachricht oder eine Information führt. Es kann ein Benutzersignal sein, oder ein Nutzinformationssignal, das die Information in Form von Bits transportiert. Die Informationsbits können durch einen Modulator auf das Datensignal moduliert werden. Der Modulator kann ein Einträgermodulator sein, z. B. ein QAM-Modulator oder ein PSK-Modulator. Der Modulator kann ein Mehrträgermodulator sein, z. B. ein OFDM-Modulator, ein Wavelet-Modulator oder ein DMT-Modulator.
Ein OFDM-Modulator gemäß einer Ausführungsform empfängt hochratige Informationen, die auf N Ratensubträger aufgeteilt werden. Die Daten werden deshalb durch Blöcke der Größe N gesendet: x(n) = [x₁(n), x₂(n), x_k(n), ..., x_N(n)], wobei der Index n die Block-OFDM-Symbolnummer ist und das tief gestellte k für den Trägerindex ist. Die Block-OFDM-Symbole werden durch eine inverse FFT-Matrix (schnelle Fouriertransformation) codiert, um den sogenannten Zeitbereichs-Blockvektor s(n) = [s₁(n), s₂(n), s_k(n), ..., s_N(n)] zu ergeben. Am Ausgang der inversen FFT wird ein Schutzintervall (zyklisches Präfix) von D Abtastwerten am Anfang jedes Blocks [s_N-D+1(n), ..., s_N(n), s_k(n), s_i(n), ..., s_N(n)] eingefügt. Es kann aus einer zyklischen Erweiterung des Zeitbereichs-OFDM-Symbols einer Größe von mehr als der Kanalimpulsantwort (D > L – 1) bestehen. Das zyklische Präfix wird zwischen jedem Block angehängt, um die Mehrwege-Linearfaltung in eine kreisförmige zu transformieren. Nach Umsetzung von parallel in seriell wird das Datensignal, insbesondere das OFDM-Signal, durch den OFDM-Modulator in einer zeitdiskreten Darstellung bereitgestellt. Es kann eine Vorcodierung gemäß einer Ausführungsform auf das Datensignal angewandt werden, um seine spektralen Eigenschaften zu modifizieren. Das vorcodierte Datensignal kann von digital in analog umgesetzt und durch den Kommunikationskanal zu dem Empfänger gesendet werden.
Im Empfänger werden symmetrische Operationen ausgeführt, d. h. für einen OFDM-Empfänger Abwärtsumsetzung und Umsetzung von analog in digital, um das zeitdiskrete Empfangssignal r^CP(n) = [r_N-D+1(n), ..., r_N(n), r₁(n), r_k(n), ..., r_N(n)] zu erhalten. Um Störungen zwischen Blöcken zu unterdrücken, werden die ersten D Abtastwerte (zyklisches Präfix oder Schutzintervallunterdrückung) des Empfangssignals r^CP(n) verworfen, und das resultierende Empfangssignal r(n) = [r₁(n), r_k(n), ..., r_N(n)] wird durch schnelle Fouriertransformation verarbeitet, um das gesendete Datensignal y(n) zu ergeben, das dem mit Kanalmatrix H(n) multiplizierten ursprünglichen Datensignal x(n) plus einem Rauschterm entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Datensignal ein OFDM-Signal. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Datensignal mehrere Signalkomponenten, wobei jede Signalkomponente spektral modifiziert wird, um eine jeweilige spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform wird die spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwendung einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird. Die Faltungscodierung mit einer Faltungssequenz repräsentiert eine Vorcodierung mit einer Vorcodierungssequenz.
Mit Bezug auf 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Senden eines Datensignals, insbesondere eines Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signals gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren wird von und in einer Sendeeinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) ausgeführt, wobei das Kommunikationssystem die Sendeeinheit und eine Empfangseinheit umfasst, die Sendeeinheit mehrere Sendeantennen umfasst und die Empfangseinheit mehrere Empfangsantennen umfasst. Das Verfahren umfasst Folgendes: Durchführen einer ersten Sendung des Datensignals, das mehrere Signalkomponenten umfasst, durch die mehreren Sendeantennen, wobei jede Sendeantenne eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals sendet (in S1). Das Verfahren umfasst ferner das Auswählen einer Teilmenge der mehreren Sendeantennen, um ausgewählte Sendeantennen zu erhalten, die Sendeantennen sind, die zu der Teilmenge der mehreren Sendeantennen gehören, und um nicht ausgewählte Sendeantennen zu erhalten, die Sendeantennen sind, die nicht zu der Teilmenge der mehreren Sendeantennen gehören (in S2). Das Verfahren umfasst außerdem das Vorcodieren jeder der Signalkomponenten des Datensignals, die durch die ausgewählten Sendeantennen gesendet werden, mit einer jeweiligen Vorcodierungssequenz, um spektral modifizierte Varianten der Signalkomponenten des Datensignals zu erhalten (in S3) und das Durchführen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung das Senden der spektral modifizierten Varianten der Signalkomponenten des Datensignals durch die ausgewählten Sendeantennen und das Neusenden der Signalkomponenten des durch die nicht ausgewählten Sendeantennen gesendeten Datensignals durch die nicht ausgewählten Sendeantennen (in S4) umfasst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die spektral modifizierten Signalvarianten der Signalkomponenten des Datensignals durch jede der Sendeantennen gesendet. Somit ist kein Auswählen von Sendeantennen erforderlich, und das Verfahren reduziert sich auf die zwei Schritte des Ausführens einer ersten Sendung von Signalkomponenten des Datensignals (in S1) und das Ausführen einer zweiten Sendung von spektral modifizierten Signalvarianten der Signalkomponenten des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung (in S2).
Die von einer Sendeantenne der mehreren Sendeantennen zu sendende spektral modifizierte Variante der Signalkomponente des Datensignals wird durch Vorcodieren der jeweiligen Signalkomponente des Datensignals mit einer Vorcodierungssequenz gemäß einer Ausführungsform erhalten. Die Vorcodierungssequenz kann eine Faltungssequenz sein. Die Faltungssequenz kann durch eine mathematische Faltungsoperation, die eine Zeitbereichsoperation ist, auf die jeweilige Signalkomponente angewandt werden. Als Alternative kann die Vorcodierung im Frequenzbereich durch Anwenden einer frequenzabhängigen Multiplikation auf die jeweilige Signalkomponente des Datensignals, das frequenztransformiert wird, ausgeführt werden. Eine Frequenztransformation der jeweiligen Signalkomponenten und/oder der Vorcodierungssequenzen kann durch Verwendung einer Fourier-Transformation, z. B. einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) ausgeführt werden. Die Faltungsoperation kann als eine Verzögerung realisiert werden, wenn die Faltungssequenz an einem Zeitpunkt ungleich null einen einzigen Wert aufweist. Das Datensignal umfasst mehrere Signalkomponenten, wobei jede Signalkomponente an einer anderen der Sendeantennen bereitgestellt werden kann, sodass das Datensignal durch Sendung seiner Signalkomponenten durch jede der Sendeantennen gesendet wird.
In der vorliegenden Anmeldung wird die zweite Sendung auch als Neusendung bezeichnet. Wenn es geschieht, dass das Verfahren eine zweite Sendung und eine dritte Sendung umfasst, wird die zweite Sendung auch als die erste Neusendung und die dritte Sendung als die zweite Neusendung bezeichnet.
Um die Zuverlässigkeit einer MIMO-Strecke zu vergrößern, ist die Technik des räumlichen Multiplexens (SDM) eine am häufigsten mit MIMO assoziierte Technik. Statt die Reichweite zu vergrößern, sendet SDM verschiedene räumliche Ströme von Daten von jeder Sendeantenne. Da diese Ströme verschiedene Daten führen, wird die Gesamtdatenrate des Systems vergrößert. Die vorliegende Erfindung zielt hauptsächlich darauf ab, die Leistungsfähigkeit des SDM-Ansatzes zu vergrößern. SDM-Verfahren erfordern wohl-konditionierte Kanalmatrizen vollen Rangs. Insbesondere ist für Antennensysteme hoher Ordnung diese Bedingung in herkömmlichen Ansätzen oft nicht erfüllt. Die Erfindung gemäß der Ausführungsform wie in 1 und 2 gezeigt, schlägt eine Lösung für das allgemeine Problem des Anwendens von SDM auf MIMO-Systeme höherer Ordnung vor.
Gemäß 1 und 2 wird die erste Sendung ohne jegliche Vorcodierung ausgeführt. Eine wesentliche Idee des Verfahrens umfasst das Einführen von „künstlichen” Zeitbereichsfaltungen, nämlich der bei der zweiten Sendung des Signals zu sendenden jeweiligen Vorcodierungs-(d. h. Faltungs-)Sequenzen. Es ist zu erwarten, dass eine solche Zeitbereichs-Faltungssequenz die Frequenzdiversität in der zweiten Sendung vergrößert und somit dabei hilft, eine zuverlässigere Kommunikation sicherzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 wird die erste Sendung durch eine erste Kanalmatrix und die zweite Sendung durch eine zweite Kanalmatrix repräsentiert, und das Verfahren umfasst ferner das Auswählen der Vorcodierungssequenzen dergestalt, dass eine weitere Kanalmatrix auf der Basis der zweiten Kanalmatrix konstruiert werden kann, wobei die weitere Kanalmatrix einen Rang umfasst, der höher als der Rang der ersten Kanalmatrix ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Kanalmatrix rangdefizient. Der Rang einer m×n-Matrix ist höchstens min(n, m). Eine Matrix, die einen Rang aufweist, der so groß wie möglich ist, wird als vollen Rang aufweisend bezeichnet; andernfalls ist die Matrix rangdefizient. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Kanalmatrix quasi-rangdefizient, d. h. mindestens ein Eigenwert der ersten Kanalmatrix ist nahe oder sehr nahe bei null, aber nicht genau null. Gemäß den obigen Ausführungsformen ist die erste Kanalmatrix schlecht konditioniert. Eine schlecht konditionierte Matrix ist eine Matrix, die quasirangdefizient oder sogar rangdefizient ist. Im Fall von quasi-rangdefizienten ersten Kanalmatrizen entstehen dieselben Probleme wie für rangdefiziente Matrizen, wobei diese Probleme durch in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Ausführungsformen der Erfindung gelöst werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 sendet während der zweiten Sendung jede der mehreren Sendeantennen eine spektral modifizierte Variante einer Signalkomponente des Datensignals. Gemäß einer Ausführungsform davon sind spektral modifizierte Varianten verschiedener Antennen voneinander verschieden. Gemäß einer Ausführungsform besitzen bestimmte der Faltungssequenzen möglicherweise nur ein einziges Element, sodass eine jeweilige spektral modifizierte Variante einer Signalkomponente des Datensignals der Signalkomponente des Datensignals oder einer verstärkten Version davon entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 können spektral modifizierte Signalvarianten durch eine Antenne der mehreren Antennen, alle Antennen der mehreren Antennen oder eine beliebige Anzahl von Antennen zwischen einer und allen der mehreren Antennen gesendet werden. Gemäß einer Ausführungsform besitzen mindestens zwei der Sendeantennen eine verschiedene Polarisation, z. B. vertikale oder horizontale Polarisation.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 ist die Länge (Dauer) der Vorcodierungssequenzen kürzer als ein OFDM-Schutzintervall. Zum Beispiel kann die Länge 1, 2 oder 3 Abtastwerte betragen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Länge der Vorcodierungssequenzen kürzer als eine Länge einer Kanalimpulsantwort des MIMO-Kommunikationssystems, insbesondere kürzer als eine Länge einer Kanalimpulsantwort zwischen den mehreren Sendeantennen und den mehreren Empfangsantennen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 wird die zweite Sendung beim Empfang einer Information eingeleitet, dass das gesendete OFDM-Signal in einer Empfangseinheit auf der Basis der ersten Sendung nicht korrekt codiert werden konnte. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Prozedur der Hybrid Automatic Repeat Request zum Einleiten der Neusendung verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Verfahren von 1 oder 2 umfasst das Verfahren ferner das Durchführen einer dritten Sendung des Datensignals, insbesondere des OFDM-Signals, zu einem späteren Zeitpunkt als die zweite Sendung, wobei die dritte Sendung das Senden von spektral modifizierten Signalvarianten des Datensignals umfasst. Gemäß einer Ausführungsform davon wird die dritte Sendung beim Empfang einer Information eingeleitet, dass das gesendete Datensignal in der Empfangseinheit auf der Basis der ersten und zweiten Sendung nicht korrekt decodiert werden konnte. Gemäß einer weiteren Ausführungsform davon ist die dritte Sendung der zweiten Sendung ähnlich oder gleich. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die dritte Sendung von der zweiten Sendung verschieden, wobei insbesondere die spektral modifizierten Signalvarianten der dritten Sendung durch Frequenzverschiebung der spektral modifizierten Signalvarianten der zweiten Sendung erhalten werden. Insbesondere können die spektral modifizierten Signalvarianten der dritten Sendung durch Anwendung einer Linearphase im Zeitbereich auf jeden Abtastwert der spektral modifizierten Signalvarianten der zweiten Sendung erhalten werden, indem jeder Abtastwert mit
multipliziert wird, wobei α eine komplexe Konstante und n die Abtastwertnummer ist, wobei α gleich π sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 2 werden die spektral modifizierten Signalvarianten von Signalkomponenten des Datensignals der dritten Sendung durch Auswählen einer anderen Teilmenge von Sendeantennen zur Sendung der spektral modifizierten Signalvarianten für die dritte Sendung mit Bezug auf die für die zweite Sendung ausgewählte Teilmenge erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 umfasst die Sendeeinheit mehrere gespeicherte Vorcodierer, wobei jeder Vorcodierer Informationen über spektral modifizierte Signalvarianten einer zweiten oder dritten Sendung umfasst, wobei das Verfahren ferner das zufällige Auswählen einer der mehreren gespeicherten Vorcodierer zum Durchführen der zweiten oder dritten Sendung umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 1 oder 2 umfasst die Sendeeinheit mehrere gespeicherte Vorcodierer, wobei jeder Vorcodierer Informationen über spektral modifizierte Signalvarianten einer zweiten oder dritten Sendung umfasst, wobei das Verfahren ferner das spezifische Auswählen einer bestimmten Vorcodierungs-(Faltungs-)Sequenz aus den mehreren gespeicherten Vorcodierungs-(Faltungs-)Sequenzen zum Durchführen der zweiten oder dritten Sendung umfasst.
Mit Bezug auf 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Empfangen eines Datensignals, insbesondere eines Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signals durch eine Empfangseinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) gezeigt, wobei das Kommunikationssystem die Empfangseinheit und eine Sendeeinheit umfasst, die Sendeeinheit mehrere Sendeantennen umfasst und die Empfangseinheit mehrere Empfangsantennen umfasst. Das Verfahren umfasst das Empfangen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung durch eine erste Kanalmatrix repräsentiert wird (in s1) und das Empfangen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung spektral modifizierte Signalvarianten von Signalkomponenten des Datensignals umfasst und durch eine zweite Kanalmatrix repräsentiert wird (in s2). Das Verfahren von 3 umfasst ferner das Konstruieren einer weiteren Kanalmatrix auf der Basis der zweiten Kanalmatrix, wobei die weitere Kanalmatrix einen Rang umfasst, der höher als ein Rang der ersten Kanalmatrix ist (in s3) und Decodieren des gesendeten Datensignals mittels der weiteren Kanalmatrix (in s4).
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 3 umfasst das Verfahren ferner das Anfordern der zweiten Sendung nach dem Detektieren, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten Sendung nicht korrekt decodiert werden kann. Das Detektieren kann zum Beispiel durch standardmäßige Fehlerdetektionsprozesse erfolgen, bei denen Fehlerdetektions-Informationsbits zu zu sendenden Daten hinzugefügt werden. Eine standardmäßige Prozedur ist der wohlbekannte Cyclic Redundancy Check (CRC). Im Fall der Detektion eines Fehlers wird automatisch eine Anforderung einer wiederholten Sendung erzeugt, und die Prozedur wird somit als automatische Wiederholungsanforderung (ARQ – Automatic Repeat Request) bezeichnet. Bei einer weiteren Variante davon, die als Hybrid-ARQ (HARQ) bezeichnet wird, können auch Bits der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) zu den existierenden Fehlerdetektionsbits hinzugefügt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens von 3 umfasst das Verfahren ferner das Konstruieren der weiteren Kanalmatrix auf der Basis der ersten Kanalmatrix und der zweiten Kanalmatrix.
Mit Bezug auf 4 ist eine schematische Blockdarstellung eines drahtlosen MIMO-Systems gezeigt, das eine Ausführungsform des in 1 oder 2 abgebildeten Verfahrens ausführt. Ein Datensignal s(n) umfasst mehrere Signalkomponenten s₁(n), s₂(n), s₃(n) und s₄(n). Während einer ersten Übertragung wird jede der Signalkomponenten s₁(n), s₂(n), s₃(n) und s₄(n) durch eine jeweilige Sendeantenne TA₁, TA₂, TA₃ und TA₄ einer Sendeeinheit TU eines drahtlosen MIMO-Kommunikationssystems gesendet. Für die zweite Sendung wird eine Teilmenge (SUBSET) der mehreren Sendeantennen TA₁, TA₂, TA₃ und TA₄ ausgewählt, um ausgewählte Sendeantennen (TA₁, TA₄), die zu der Teilmenge gehören, zu erhalten und um nicht ausgewählte Antennen (TA₂, TA₃), die nicht zu der Teilmenge gehören, zu erhalten. Jede der Signalkomponenten s₁(n) und s₄(n) des durch die ausgewählten Sendeantennen (TA₁, TA₄) gesendeten Datensignals s(n) werden mit einer jeweiligen Vorcodierungssequenz (g₁(n), g₄(n)) vorcodiert, um spektral modifizierte Varianten (s^₁(n), s^₄(n)) der Signalkomponenten des Datensignals s(n) zu erhalten. Die zweite Sendung wird zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung durchgeführt und umfasst das Senden der spektral modifizierten Varianten (s^₁(n), s^₄(n)) der Signalkomponenten des Datensignals s(n) durch die ausgewählten Sendeantennen (TA₁, TA₄) und das Neusenden der während der ersten Sendung durch die nicht ausgewählten Sendeantennen (TA₂, TA₃) gesendeten Signalkomponenten (s₂(n), s₃(n)) des Datensignals s(n) durch die nicht ausgewählten Sendeantennen (TA₂, TA₃).
Mit Bezug auf 5 ist eine schematische Blockdarstellung eines drahtlosen MIMO-Systems gezeigt, das eine Ausführungsform der in 1, 2 und 3 abgebildeten Verfahren ausführt. Ein Datensignal s(k), das im Frequenzbereich durch den Index k repräsentiert wird, umfasst mehrere Signalkomponenten s₁(k), s₂(k), s₃(k) und s₄(k). Während einer ersten Sendung, die durch die hochgestellte Notation (1) bezeichnet wird, wird jede der Signalkomponenten s₁(k), s₂(k), s₃(k) und s₄(k) durch eine jeweilige Sendeantenne TA₁, TA₂, TA₃ und TA₄ einer Sendeeinheit TU eines drahtlosen MIMO-Kommunikationssystems gesendet. Eine Empfangseinheit RU des MIMO-Kommunikationssystems, die mehrere Empfangsantennen RA₁, RA₂ umfasst, empfängt die gesendeten Signalkomponenten s₁(k), s₂(k), s₃(k) und s₄(k) als mehrere empfangene Signalkomponenten r₁ ⁽¹⁾(k), r₂ ⁽¹⁾(k) eines Empfangssignals r⁽¹⁾(k). Jede empfangene Signalkomponente r_i ⁽¹⁾(k) hängt von der gesendeten Signalkomponente s_j(k) durch den jeweiligen Kanalpfad (Kanalimpulsantwort) H_ji ab. Die Relation kann als r_i ⁽¹⁾(k) = H_jis_j(k) geschrieben werden. Der Index j spezifiziert die Sendeantenne TX_j, und der Index i spezifiziert die Empfangsantenne RX_i des jeweiligen Sendepfads. Die mehreren individuellen Kanalimpulsantworten H_ji können als eine einzige Matrix H⁽¹⁾ repräsentiert werden, die als die erste Kanalmatrix bezeichnet wird.
Während einer zweiten Sendung (2) zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung (1) werden spektral modifizierte Varianten s₁^(k), s₂^(k), s₃^(k), s₄^(k) der Signalkomponenten s₁(k), s₂(k), s₃(k), s₄(k) des Datensignals s(k) durch eine jeweilige Sendeantenne TA₁, TA₂, TA₃ und TA₄ der Sendeeinheit TU des drahtlosen MIMO-Kommunikationssystems gesendet. Die Empfangseinheit RU des MIMO-Kommunikationssystems empfängt die gesendeten spektral modifizierten Varianten der Signalkomponenten s₁(k), s₂(k), s₃(k) und s₄(k) als mehrere empfangene Signalkomponenten n₁ ⁽²⁾(k), n₂ ⁽²⁾(k) eines Empfangssignals r⁽²⁾(k). Jede empfangene Signalkomponente r_i ⁽²⁾(k) hängt von der jeweiligen spektral modifizierten Variante s_j^(k) durch den jeweiligen Kanalpfad (Kanalimpulsantwort) H_ji ab. Jede spektral modifizierte Variante s_j^(k) hängt von der jeweiligen Signalkomponente s_j(k) des Datensignals s(k) durch den jeweiligen Vorcodierer G_j ab, der die Frequenzdarstellung der Vorcodierungssequenz g_j(n) ist. Die Relation kann als s_j^(k) = G_js_j(k) und als r_i ⁽²⁾(k) = H_jis_j^(k) geschrieben werden. Die mehreren individuellen Kanalimpulsantworten H_ji und die mehreren individuellen Vorcodierer G_j können als eine einzige Matrix H⁽²⁾ repräsentiert werden, die als die zweite Kanalmatrix bezeichnet wird. Gemäß einer beschriebenen Ausführungsform kann nicht jede der Sendeantennen TX_j eine spektral modifizierte Variante s_j^(k) einer Signalkomponente s_j(k) des Datensignals s(k) senden, bestimmte der Sendeantennen TX_j können eine ursprüngliche Signalkomponente s_j(k) des Datensignals s(k) senden.
Eine weitere Kanalmatrix H^(*) kann auf der Basis der zweiten Kanalmatrix H⁽²⁾ durch eine Kombination der ersten Kanalmatrix H⁽¹⁾ und der zweiten Kanalmatrix H⁽²⁾ konstruiert werden. 2b zeigt eine mögliche Art des Kombinierens beider Matrizen. Die erste Empfangssignalkomponente r₁ ⁽¹⁾(k) der ersten Sendung, die durch die erste Antenne empfangen wird, wird zu der ersten Empfangssignalkomponente r₁ ⁽²⁾(k) der zweiten Sendung addiert, die durch die erste Antenne empfangen wird, um ein erstes Empfangssignal zu empfangen. Ein zweites Empfangssignal wird als die zweite Empfangssignalkomponente r₂ ⁽¹⁾(k) der ersten Sendung konstruiert, die durch die zweite Antenne empfangen wird. Diese Kombination führt zu einer weiteren Kanalmatrix H^(*) mit einem Rang, der durch angemessenes Justieren der Vorcodierer G_j gesteuert werden kann. Zum Beispiel kann die Justierung verwendet werden, um eine weitere Kanalmatrix H^(*) vollen Rangs oder maximalen Rangs zu erhalten.
Gemäß einer in 3 oder 5 abgebildeten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Konstruieren einer wohl konditionierten weiteren Kanalmatrix aus einer schlecht konditionierten ersten Kanalmatrix und Teilen einer zweiten schlecht konditionierten Kanalmatrix das Konstruieren einer ersten Kanalmatrix auf der Basis empfangener Abtastwerte eines Datensignals, das mehrere Signalkomponenten umfasst, die von mehreren Sendeantennen gesendet und von mehreren Empfangsantennen empfangen werden, wobei die erste Kanalmatrix schlecht konditioniert ist. Das Verfahren umfasst ferner das Konstruieren einer zweiten Kanalmatrix auf der Basis empfangener Abtastwerte spektral modifizierter Varianten von Signalkomponenten des Datensignals, die durch die mehreren Sendeantennen gesendet und von mehreren Empfangsantennen empfangen werden, wobei die zweite Kanalmatrix schlecht konditioniert ist. Das Verfahren umfasst ferner das Konstruieren einer weiteren Kanalmatrix auf der Basis der empfangenen Abtastwerte der Signalkomponenten des Datensignals und auf der Basis von Teilen der empfangenen Abtastwerte der spektral modifizierten Varianten der Signalkomponenten des Datensignals dergestalt, dass die weitere Kanalmatrix wohl-konditioniert ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Kanalmatrix und/oder die zweite Kanalmatrix schlecht konditioniert. Eine schlecht konditionierte Matrix ist eine Matrix, die quasi-rangdefizient ist, d. h. mindestens ein Eigenwert der Matrix ist null nahe oder sehr nahe. Eine rangdefiziente Matrix wird auch als schlecht konditionierte Matrix betrachtet. Der Rang einer m×n-Matrix ist höchstens min(n, m). Eine Matrix mit einem Rang, der so groß wie möglich ist, wird als vollen Rang aufweisend bezeichnet; andernfalls ist die Matrix rangdefizient. Eine wohl konditionierte Matrix ist eine Matrix, die weder rangdefizient noch quasi-rangdefizient ist. Wohlkonditionierte Matrizen können zur Matrixinvertierung verwendet werden.
Im Folgenden wird eine spezifische Ausführungsform ausführlicher beschrieben, die der in 5 abgebildeten Ausführungsform ähnlich ist. Die Vorcodierungs-(Faltungs-)Sequenzen, die im Zeitbereich definiert sind, werden dafür vorgeschlagen, mit Bezug auf die folgenden Kriterien gewählt zu werden:
Die auf die TX-Antenne #j anzuwendende Faltungssequenz wird typischerweise durch einen Vektor definiert, der komplexe Elemente enthält: g^(j) = (g₀ ^(j)g₁ ^(j)...), g_n ^(j) ∊ C∀n.
Die Sequenz g^(j) ist typischerweise kurz, d. h. nur Elemente g_n ^(j) mit kleinem „n” sind von null verschieden (typischerweise ist g (j) / n > M = 0 mit M << N, wobei M zwei Größenordnungen kleiner als N ist, wobei N die Größe des OFDM-Symbols ist, z. B. ist bei einer 3GPP-LTE-Konfiguration N = 2048). Eine spezifischere Bedingung für „Kürze” wird nachfolgend gegeben.
Folglich nimmt der Empfänger die zusätzliche Faltung als Teil der Gesamtsystemimpulsantwort wahr, einschließlich der per-Funk-Kanalimpulsantwort gefaltet mit der HF-Sender- und Empfängerfilterimpulsantwort gefaltet mit der entsprechenden Sequenz g^(j). g^(j) wird in dem Sinne kurz gewählt, dass die resultierende Systemimpulsantwort im Vergleich zu dem OFDM-Schutzintervall (oder zyklischem Präfix) immer noch kleiner ist, sodass keine zusätzlichen Schritte erforderlich sind, um die Decodierung in der Empfängereinheit zu berücksichtigen. Der Empfängereinheit muss g^(k) nicht einmal „bewusst” sein, da sie es als Teil der Gesamtsystemimpulsantwort betrachtet, die sowieso entzerrt werden muss. Bei 3GPP-LTE beträgt die Schutzintervallgröße für die DL-Kommunikation typischerweise 140 oder 166 Abtastwerte, und es kann auch ein erweitertes Schutzintervall von 512 oder 1024 Abtastwerten verwendet werden, d. h. eine Sendeeinheit-Faltungsvorcodierung verlängert typischerweise die Gesamtsystemimpulsantwort auf irrelevante Weise.
Mit Bezug auf 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einführung von Frequenzdiversität gezeigt. Wie oben erwähnt, besteht das Ziel der Einführung einer Zeitbereichs-Faltungssequenz darin, die Gesamtfrequenzdiversität einzuführen. In 6 ist die Frequenzantwort für den Fall nur einer (starken) Line-of-Sight-(LOS-)Komponente dargestellt, und die Frequenzantwort, die sich aus der Kombination eines solchen Kanals mit einer simplen Senderfaltung ergibt, wobei die folgende Faltungssequenz verwendet wird: g⁽¹⁾ = (12)/√5) .
Mit Bezug auf 7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einführung von Frequenzdiversität gezeigt, einschließlich einer frequenzverschobenen Version der ursprünglichen Faltungssequenz, die für die erste Neusendung verwendet wird. Wenn die Nachricht nach der ersten Neusendung nicht decodiert werden kann, ist eine weitere Neusendung erforderlich. In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass dieselben Faltungssequenzen die für die erste Neusendung angewandt werden, mit dem Unterschied, dass eine Frequenzverschiebung dieser Sequenz durchgeführt wird (um zu vermeiden, dass Bits ein zweites Mal in „Fadings” fallen). Eine solche Frequenzbereichsverschiebung wird durch Anwenden einer Linearphase im Zeitbereich durchgeführt, d. h. jede Abtastwertenummer „n” wird mit
multipliziert, wobei α eine komplexe Konstante ist. Eine bevorzugte Lösung besteht darin, α = π zu wählen, was zu einer zyklischen spektralen Verschiebung um die Hälfte der Bandbreite führt.
Wie bereits oben erwähnt, wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Faltungssequenzen g^(k) spezifisch so ausgewählt werden, dass die jeweilige Kondition der Kanalmatrizen verbessert wird, wenn die empfangenen Symbole der ersten Sendung und die empfangenen Symbole der zweiten Sendung kombiniert werden.
Das MIMO-Kommunikationssystem kann in einer Frequenzbereichdarstellung beschrieben werden, indem man Folgendes annimmt: r = Hs + z wobei s der durch die Sendeeinheit, die dem Datensignal (in Frequenzbereichdarstellung) entspricht, gesendete N_TX×1-Signalvektor (in Frequenzbereichdarstellung) ist, r der durch die Empfangseinheit empfangene N_RX×1-Signalvektor (in Frequenzbereichdarstellung), H die N_RX×N_TX-Kanalmatrix ist und z der N_RX×1-Rauschvektor (in Frequenzbereichdarstellung) ist. Der N_TX×1-Signalvektor s wird als das Datensignal denominiert, und die N_TX Elemente von s werden als die Signalkomponenten des Datensignals denominiert. Das Datensignal sowie die Signalkomponenten des Datensignals können im Zeitbereich oder im Frequenzbereich dargestellt werden. Das Rekonstruieren des gesendeten Signalvektors s durch den Empfangssignalvektor r und hier durch Demodulation von s kann durch Invertieren der Kanalmatrix H durchgeführt werden. Eine solche Matrixinvertierung erfordert, dass H keine Rangdefizienzen aufweist.
Es wird ferner angenommen, dass H rangdefizient ist und s nicht demoduliert werden kann, auch wenn s neu gesendet wird. Es wird dann vorgeschlagen, eine unabhängige Vorcodierer-/Prozessormatrix P für die Neusendung zu verwenden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das MIMO-Kommunikationssystem ein 2×2-MIMO-System, wobei die Sendeeinheit zwei Sendeantennen und die Empfangseinheit zwei Empfangsantennen umfasst. Natürlich können alle im Folgenden beschriebenen Mechanismen ohne Weiteres auf jede beliebige Dimension erweitert werden.
Senden von #1 mit einem Vorcodierer P₁, sodass r₁ = HP₁s + z₁.
Senden von #2 mit einem Vorcodierer P₂, sodass r₂ = HP₂s + z₂.
Man kann also Folgendes schreiben:
Dann ist es möglich, P₁, P₂ so zu wählen, dass alle Elemente von s demoduliert werden können, nämlich im Fall
In dem folgenden Beispiel wird die Verwendung eines Faltungsdecodierers dargestellt.
Es wird ein 2×2-MIMO-System betrachtet, das räumliches Multiplexen mit zwei räumlichen Strömen verwendet, was bedeutet, dass eine vorzugsweise wohl-konditionierte Kanalmatrix
mit vollem Rang (d. h. Rang 2) für jeden OFDM-Träger „k” erforderlich ist
enthält alle Kanaldämpfung zwischen allen Sende- und Empfangsantennen).
Um ein ungünstigstes Szenario darzustellen, wird angenommen, dass die Kanäle zwischen den verschiedenen Sende- und Empfangsantennen quasi identisch sind, z. B. aufgrund von sehr starken LOS-(Line-of-Sight-)Komponenten und entsprechender Positionierung der Antennen. In diesem ungünstigsten Szenario entsprächen die Kanalmatrizen somit
Offensichtlich ist diese Matrix rangdefizient, da nur ein Singulärwert von null verschieden ist, wie durch Berechnen der Singulärwertzerlegung (SVD) verifiziert werden kann. Die Sendung von zwei räumlichen Strömen wird dementsprechend für alle Träger fehlschlagen. In einem solchen Kontext ist sogar die Sendung von Redundanzinformationen vergeblich, da die Symbole nicht decodiert werden können, solange sich die Kanalimpulsantwort nicht ändert.
Um dieses Problem zu umgehen, wird für jede Neusendung der ursprünglichen Daten die Einführung einer kleinen Zeitbereichsfaltung vor der Sendung durch Antenne #1 eingeführt. Für dieses Beispiel wird die folgende normierte Faltungssequenz gewählt: g⁽¹⁾ = (12)/√5 . Außerdem wird ein OFDM-Symbol mit 2048 Trägern (folgend dem 3GPP-LTE-Standard) angenommen. Es gibt nun zwei Kanalmatrizen, eine für die anfängliche Sendung und eine für die Neusendung:
Anfängliche Sendung:

1. Neusendung:
wobei „c(k)” dem multiplikativen Element (im Frequenzbereich) entspricht, das durch die Faltungssequenz g⁽¹⁾ = (12)/√5 (im Zeitbereich) eingeführt wird. c(k) entspricht ferner dem Vorcodierer G_j, wie in 5 beschrieben. Die Faltung durch g^(j) = (12)/√5 wird im Zeitbereich, repräsentiert durch den Index „n”, durchgeführt, was zu einem multiplikativen Faktor c(k) im Frequenzbereich, repräsentiert durch den Index „k”, führt. Die nachfolgenden Berechnungen werden für alle Träger „k” im Frequenzbereich durchgeführt (wie durch die Kanalmatrix
angezeigt. Der multiplikative Faktor „c(k)” kann durch eine Fourier-Transformation aus g⁽¹⁾ abgeleitet werden.

Es wird nun vorgeschlagen, dass zwei empfangene Symbole auf der Basis dieser Kanalmatrizen konstruiert werden, eines durch Kombinieren beider anfänglich empfangener Symbole plus dem empfangenen Symbol der ersten Empfangsantenne und ein anderes durch Kombinieren beider anfänglich empfangener Symbole plus dem empfangenen Symbol der zweiten Empfangsantenne. Dies führt zu neuen Kanalmatrizen, die den zwei neuen konstruierten Symbolen entsprechen:

1) neue konstruierte Matrix:
2) neue konstruierte Matrix:

Die zweite Gleichheit von 1) und 2) ist nur gültig, wenn die Bedingung
wie oben beschrieben, erfüllt ist.
Das vorgeschlagene Schema ermöglicht somit die Sicherstellung einer robusten Kommunikation für SDM sogar bei Anwesenheit von stark korrelierten MIMO-Kanälen. Anders ausgedrückt, vermeidet es das Auftreten von schlecht konditionierten Kanalmatrizen. Wenn weitere Neusendungen erforderlich sind, kann der Sender „zufällig” die Faltungssequenzen justieren, ohne den Empfänger über ihre Beschaffenheit zu informieren. Einfach durch Konstruieren verschiedener neuer Decodierungsmatrizen wird der Empfänger in der Lage sein, die Informationen zu extrahieren. Diese weiteren Neusendungen könnten in räumliche Ströme/Strahlen mit niedrigem SNR gelegt werden. Es könnte nur wenig zusätzliche Energie (inkrementelle Redundanz) erforderlich sein, um das Paket voll zu decodieren. Dies kann durch ordnungsgemäßes Wählen eines Faltungsvorcodierers, d. h. der Faltungssequenz, geschehen.
Die obige Formulierung ist relativ allgemein. Tatsächlich können die beispielhafte
anfängliche Sendung:
Neusendung:
als ein Spezialfall dieser Formulierung betrachtet werden, nämlich
Senden #1:

Senden #2:
im Fall c(k) ≠ 1 gilt
sodass s demoduliert werden kann.
Einrichtungen gemäß Ausführungsformen verbessern die Systemleistungsfähigkeit durch Vergrößern der Kanaldiversität ohne Kenntnis von CSI (Kanalzustandsinformationen) in der Sendeeinheit. Durch Verwendung einer Vorcodierung (Faltungscodierung) in der Sendeeinheit wird die Gesamtkanaldiversität effizient vergrößert. Die Einführung dieser Technik muss nicht zu der Empfangseinheit übermittelt werden und muss auch nicht der Empfangseinheit bekannt sein, da sie inhärent durch die Kanaldecodierungsprozeduren berücksichtigt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann jedoch der Vorcodierer durch Verwendung von CSI entworfen werden. Durch Ausnutzen von Kenntnis über CSI kann die Systemleistungsfähigkeit weiter verbessert werden.
In den Figuren dargestellte Ausführungsformen von MIMO-Systemen stellen Mittel dafür bereit, wie schlecht konditionierte und rangdefiziente Kanalmatrizen in wohl-konditionierte transformiert werden können, wodurch eine effiziente Decodierung der gesendeten Informationen möglich wird. Ausführungsformen solcher MIMO-Systeme können mit üblichen MIMO-Techniken und HARQ-Verarbeitung kombiniert werden.
Für den speziellen Kanal
mit
dieses P2 funktiomiert nicht, da
ist.
Man kann jedoch
wählen, und dann gilt
Im Fall c(k) ≠ 1 gilt
sodass s demoduliert werden kann.
Es ist zu beachten, dass die obige Weise des Konstruierens der Matrizen
eine „geeignete” c(k)-Auswahl erfordert, d. h. eine „geeignete” Auswahl des Vorcodierers. Insbesondere werden die Rangeigenschaften nicht verbessert, wenn die folgende Bedingung gilt: (1 + c(k)) = 2. Dies gilt insbesondere, wenn der Vorcodierer ganz weggelassen wird. Aber auch bei Anwesenheit eines Vorcodierers sollte diese Bedingung für alle Träger weggelassen werden.
Der Beweis für die schlechten Matrixrangverbesserungsergebnisse ist wie folgt: mit (1 + c(k)) = 2 können die resultierenden Matrizen folgendermaßen geschrieben werden:
Aufgrund der wohl bekannten Matrixrechenregel „rank(AB) ≤ rank(A)” und „rank(AB) ≤ rank(B)” können die obigen Schritte den Rang der ursprünglichen rangdefizienten Übertragung
Obwohl die optimale Lösung die Kenntnis des Kanals und somit einen Informationsaustausch vor der Benutzung des Verfahrens erfordert, kann eine vereinfachte Version durch den Hersteller für HARQ-Chase-Kombinieren implementiert werden: bei jeder Neusendung kann ein beliebiger vorbestimmter Faltungsvorcodierer ohne Benachrichtigung des Empfängers verwendet werden. Wenn dem Empfänger die vorgeschlagenen Mechanismen bewusst sind, kann er die Streckeneigenschaften gemäß den Vorschlägen in der vorliegenden Anmeldung verbessern. Wenn sie dem Empfänger nicht bewusst sind (z. B. Konkurrentenprodukt), funktionieren die standardmäßigen Decodierungsansätze, da der Vorcodierer in der Gesamtsystemimpulsantwort „versteckt” ist.
Im Allgemeinen sollte Folgendes für die Auswahl der Faltungsvorcodierer im Optimalfall, d. h. Kanaleigenschaften sind dem Sender bekannt, betrachtet werden.
Der Vorcodierer P₂ bei der Neusendung sollte so gewählt werden (z. B. orthogonal zu P₁), dass die resultierende zusammengesetzte Vorcodiererkanalmatrix möglicherweise unabhängig von dem realen Kanal den höchsten/höheren Rang aufweist.
Um a) zu erzielen, muss der Faltungsvorcodierer für alle Sendeantennen gemeinsam entworfen werden, nicht separat für einzelne Antennen.
Der Faltungsvorcodierer ist ein linearer Vorcodierer. Es sollte deshalb möglich sein, abhängig von dem Kanal sowie dem Empfänger, einen guten Faltungsvorcodierer zu definieren.
Mit Bezug auf 8 ist eine schematische Blockdarstellung eines MIMO-Systems in einer verallgemeinerten Form gezeigt. Das MIMO-System umfasst eine Sendeeinheit 10 mit mehreren Sendeantennen 11 bis 14 und eine Empfangseinheit 20 mit mehreren Empfangsantennen 21 und 22. Außerdem sind bestimmte, aber nicht alle der räumlichen Strahlen von den Sendeantennen 11 bis 14 zu den Empfangsantennen 21 und 22 gezeigt.
Mit Bezug auf 9 ist eine schematische Blockdarstellung einer Sendeeinheit zum Senden eines Datensignals, insbesondere eines Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signals, gezeigt. Die Sendeeinheit 10 umfasst mehrere Antennen 11, 12, 13 und 14, eine erste Sendeeinrichtung (TX1) 15 zum Durchführen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung das Senden des Datensignals durch die mehreren Sendeantennen 11 bis 14 umfasst, und eine zweite Sendeeinrichtung (TX2) 16 zum Durchführen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung das Senden von Signalvarianten des Datensignals durch mindestens eine Antenne der mehreren Sendeantennen 11 bis 14 umfasst, wobei die zweite Sendeeinrichtung 16 eine Vorcodierungseinrichtung (PCD) 16.1 zum Vorcodieren des Datensignals mit einer jeweiligen Faltungssequenz zum Erhalten einer jeweiligen Signalvariante umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinheit 10 von 9 umfasst die Sendeeinheit 10 ferner eine dritte Sendeeinrichtung (TX3) 17 zum Durchführen einer dritten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die zweite Sendung, wobei die dritte Sendung das Senden von spektral modifizierten Signalvarianten des Datensignals umfasst. Gemäß einer Ausführungsform davon ist die dritte Sendeeinrichtung 17 dafür ausgelegt, die dritte Sendung beim Empfang einer Information einzuleiten, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten und zweiten Sendung nicht korrekt decodiert werden konnte. Gemäß einer Ausführungsform ist die dritte Sendeeinrichtung 17 dafür ausgelegt, eine dritte Sendung durchzuführen, die der zweiten Sendung ähnlich oder gleich ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die dritte Sendeeinrichtung 17 dafür ausgelegt, eine dritte Sendung durchzuführen, die von der zweiten Sendung verschieden ist. Insbesondere ist die dritte Sendeeinrichtung 17 dafür ausgelegt, eine dritte Sendung durchzuführen, die Signalvarianten davon werden durch Frequenzverschiebung der Signalvarianten der zweiten Sendung erhalten. Insbesondere werden die Signalvarianten der dritten Sendung durch Anwenden einer Linearphase im Zeitbereich auf jeden Abtastwert der Signalvarianten der zweiten Sendung erhalten, indem jeder Abtastwert mit
multipliziert wird, wobei α eine komplexe Konstante und n die Abtastwertnummer ist, wobei α gleich π sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinheit 10 von 9 umfasst die Sendeeinheit 10 ferner eine Speichereinrichtung 18 zum Speichern mehrerer Vorcodierer, wobei jeder Vorcodierer Informationen über spektral modifizierte Signalvarianten einer zweiten oder dritten Sendung umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinheit 10 von 9 umfasst die Sendeeinheit 10 ferner eine Auswahleinrichtung 19 zum Auswählen eines Vorcodierers zum Durchführen einer zweiten oder dritten Sendung. Gemäß einer Ausführungsform davon ist die Auswahleinrichtung 19 dafür ausgelegt, spezifisch einen bestimmten Vorcodierer auf der Basis einer Information über den Kanal in Form der Kanalmatrix auszuwählen. Die Auswahleinrichtung 19 kann auch dafür ausgelegt sein, zufällig einen beliebigen Decodierer auszuwählen.
Es können weitere Ausführungsformen der Sendeeinheit 10 von 9 konstruiert werden, bei denen die Einrichtungen der Sendeeinheit 10 dafür ausgelegt sind, oben in Verbindung mit einem Verfahren zum Senden eines Datensignals gemäß 1 oder 2 beschriebene Operationen auszuführen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Sendeeinheit 10 von 9 können die Einrichtungen der Sendeeinheit 10 entweder als Hardwareelemente oder als Softwarewerkzeuge in einem Prozessor wie einem digitalen Signalprozessor (DSP) implementiert werden. Es ist auch möglich, dass ein Teil der Einrichtungen als Hardwareelemente und der andere Teil als Softwarewerkzeuge implementiert werden können.
Mit Bezug auf 10 ist eine schematische Blockdarstellung einer Empfangseinheit 20 zum Empfangen eines Datensignals, insbesondere eines Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signals, gezeigt. Die Empfangseinheit 20 umfasst mehrere Antennen 21 und 22, eine Empfangseinrichtung (RX) 23 zum Empfangen einer ersten Sendung eines Datensignals und einer zweiten Sendung des Datensignals, wobei die erste Sendung durch eine erste Kanalmatrix repräsentiert wird und die zweite Sendung spektral modifizierte Signalvarianten des Datensignals umfasst und durch eine zweite Kanalmatrix repräsentiert wird, eine Konstruktionseinrichtung (CSTR) 24 zum Konstruieren einer weiteren Kanalmatrix auf der Basis der zweiten Kanalmatrix, wobei die weitere Kanalmatrix einen Rang umfasst, der höher als der Rang der ersten Kanalmatrix ist, und eine Decodierungseinrichtung (DEC) 25 zum Decodieren des gesendeten Datensignals mittels der weiteren Kanalmatrix.
Gemäß einer Ausführungsform der Empfangseinheit 20 von 10 umfasst die Empfangseinheit 20 ferner eine Detektionseinrichtung (DET) 26 zum Detektieren, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten Sendung nicht korrekt decodiert werden kann, und eine Anforderungseinrichtung (REQ) 27 zum Anfordern der zweiten Sendung, wobei die Anforderungseinrichtung 27 mit der Detektionseinrichtung 20 gekoppelt ist. Gemäß einer Ausführungsform davon ist die Detektionseinrichtung 20 dafür ausgelegt, auf der Basis von zu den gesendeten Daten hinzugefügten Fehlerdetektions-Informationsbits zu wirken, und zwar insbesondere in Verbindung mit Cyclic Redundancy Check (CRC). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Detektionseinrichtung 26 dafür ausgelegt, auf der Basis sowohl von Fehlerdetektions-Informationsbits als auch von Vorwärtsfehler-Korrekturbits, die zu den Fehlerdetektionsbits hinzugefügt werden, zu wirken.
Es können weitere Ausführungsformen der Empfangseinheit 20 konstruiert werden, bei denen die Einrichtungen der Empfangseinheit 20 dafür ausgelegt sind, Operationen auszuführen, die oben in Verbindung mit dem Verfahren zum Empfangen eines OFDM-Signals gemäß Signal 2 beschrieben wurden.

Claims

Verfahren zum Senden eines Datensignals durch eine Sendeeinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO), wobei die Sendeeinheit mehrere Sendeantennen umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Durchführen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung das Senden des Datensignals durch jede einzelne der mehreren Sendeantennen umfasst; und Durchführen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung das Senden mindestens einer spektral modifizierten Signalvariante des Datensignals durch mindestens eine Antenne der mehreren Sendeantennen umfasst, wobei das Datensignal mehrere Signalkomponenten umfasst und wobei die zweite Sendung jeder Signalkomponente des Datensignals spektral modifiziert ist, um eine jeweilige spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals zu erhalten, wobei eine spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwenden einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten wird, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Datensignal ein Orthogonal-Frequenzmultiplex-(OFDM-)Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Datensignal ein OFDM-Signal umfasst, wobei eine Länge einer Faltungssequenz kürzer als ein OFDM-Schutzintervall ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Sendung durch eine erste Kanalmatrix und die zweite Sendung durch eine zweite Kanalmatrix dargestellt wird, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Auswählen der Faltungssequenzen dergestalt, dass eine weitere Kanalmatrix auf der Basis der zweiten Kanalmatrix konstruiert wird, wobei die weitere Kanalmatrix einen Rang umfasst, der höher als ein Rang der ersten Kanalmatrix ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Faltungssequenzen ausgewählt werden, um einen Rang der weiteren Kanalmatrix zu maximieren.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei eine der folgenden Alternativen spektral modifizierte Signalkomponenten sendet: eine Antenne der mehreren Antennen, alle Antennen der mehreren Antennen oder eine beliebige Anzahl von Antennen zwischen einer und allen der mehreren Antennen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die spektral modifizierten Signalvarianten des Datensignals voneinander verschieden sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Sendung beim Empfang einer Information eingeleitet wird, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten Sendung nicht korrekt decodiert werden konnte.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, ferner mit dem folgenden Schritt: Durchführen einer dritten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die zweite Sendung, wobei die dritte Sendung das Senden von spektral modifizierten Varianten des Datensignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die dritte Sendung beim Empfang einer Information eingeleitet wird, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten und zweiten Sendung nicht korrekt decodiert werden konnte.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die spektral modifizierten Signalvarianten der dritten Sendung durch Frequenzverschiebung der spektral modifizierten Signalvarianten der zweiten Sendung erhalten werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Sendeeinheit mehrere gespeicherte Vorcodierer umfasst, wobei jeder Vorcodierer Informationen über spektral modifizierte Signalvarianten einer zweiten oder dritten Sendung umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: beliebiges Auswählen eines der mehreren gespeicherten Vorcodierer zum Durchführen der zweiten oder dritten Sendung.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Sendeeinheit mehrere gespeicherte Vorcodierer umfasst, wobei jeder Vorcodierer Informationen über spektral modifizierte Signalvarianten einer zweiten oder dritten Sendung umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: spezifisches Auswählen eines bestimmten Vorcodierers aus den mehreren gespeicherten Vorcodierern zum Durchführen der zweiten oder dritten Sendung.
Verfahren zum Empfangen eines Datensignals durch eine Empfangseinheit eines drahtlosen Kommunikationssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO), wobei die Empfangseinheit mehrere Empfangsantennen umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Empfangen einer ersten Sendung eines Datensignals, wobei die erste Sendung durch eine erste Kanalmatrix repräsentiert wird; Empfangen einer zweiten Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung, wobei die zweite Sendung spektral modifizierte Signalvarianten des Datensignals umfasst und durch eine zweite Kanalmatrix repräsentiert wird, wobei eine spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwenden einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten wird, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird; Konstruieren einer weiteren Kanalmatrix auf der Basis der zweiten Kanalmatrix, wobei die weitere Kanalmatrix einen Rang umfasst, der höher als ein Rang der ersten Kanalmatrix ist; und Decodieren des gesendeten Datensignals mittels der weiteren Kanalmatrix.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit dem folgenden Schritt: Konstruieren der weiteren Kanalmatrix auf der Basis der ersten Kanalmatrix und der zweiten Kanalmatrix.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, ferner mit dem folgenden Schritt: Anfordern der zweiten Sendung nach dem Detektieren, dass das gesendete Datensignal auf der Basis der ersten Sendung nicht korrekt decodiert werden kann.
Sendeeinheit zum Senden eines Datensignals, umfassend: mehrere Antennen; eine erste Sendeeinrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine erste Sendung eines Datensignals durchzuführen, wobei die erste Sendung das Senden des Datensignals durch jede einzelne der mehreren Sendeantennen umfasst; und eine zweite Sendeeinrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine zweite Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die erste Sendung durchzuführen, wobei die zweite Sendung das Senden mindestens einer spektral modifizierten Signalvariante des Datensignals durch mindestens eine Antenne der mehreren Sendeantennen umfasst, wobei eine spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwenden einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten wird, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird.
Sendeeinheit nach Anspruch 17, ferner umfassend: eine dritte Sendeeinrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine dritte Sendung des Datensignals zu einem späteren Zeitpunkt als die zweite Sendung durchzuführen, wobei die dritte Sendung das Senden von spektral modifizierten Signalvarianten des Datensignals umfasst.
Verfahren zum Konstruieren einer wohl-konditionierten weiteren Kanalmatrix aus einer schlecht konditionierten ersten Kanalmatrix und Teilen einer zweiten schlecht konditionierten Kanalmatrix, mit den folgenden Schritten: Konstruieren einer ersten Kanalmatrix auf der Basis empfangener Abtastwerte eines Datensignals, das mehrere Signalkomponenten umfasst, die durch mehrere Sendeantennen gesendet und durch mehrere Empfangsantennen empfangen werden, wobei die erste Kanalmatrix schlecht konditioniert ist; Konstruieren einer zweiten Kanalmatrix auf der Basis empfangener Abtastwerte spektral modifizierter Varianten von Signalkomponenten des Datensignals, die durch die mehreren Sendeantennen gesendet und durch die mehreren Empfangsantennen empfangen werden, wobei die zweite Kanalmatrix schlecht konditioniert ist, wobei eine spektral modifizierte Signalvariante des Datensignals durch Anwenden einer Faltungscodierung auf eine jeweilige Signalkomponente des Datensignals erhalten wird, wobei die Faltungscodierung durch eine Faltungssequenz repräsentiert wird; Konstruieren einer weiteren Kanalmatrix auf der Basis der empfangenen Abtastwerte der Signalkomponenten des Datensignals und auf der Basis von Teilen der empfangenen Abtastwerte der spektral modifizierten Varianten der Signalkomponenten des Datensignals dergestalt, dass die weitere Kanalmatrix wohl-konditioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die weitere Kanalmatrix durch Kombinieren der empfangenen Abtastwerte der Signalkomponenten des Datensignals mit den empfangenen Abtastwerten der spektral modifizierten Varianten der Signalkomponenten des Datensignals, die durch eine der Empfangsantennen empfangen werden, konstruiert wird.